Голография

ГОЛОГРАФИЯ (от греческого δλος - весь, полный и ...графия), метод записи и восстановления волновых полей, основанный на регистрации интерференционной картины, формируемой волнами, исходящими от объекта и опорного источника. Предложен в 1948 году Д. Габором, им же введён термин «голограмма». Для получения информации об объекте Габор предложил использовать не только амплитуду излучения объектной волны (что используется в фотографии), но и её фазу, которая определяет положение полос в картине интерференционного поля, создаваемого объектной и опорной волнами. Однако ему не удалось получить качественных голографических изображений из-за ограничений предложенной им схемы записи голограмм и отсутствия мощных источников когерентного света. Голография пережила второе рождение, когда в 1962 году Ю. Н. Денисюк предложил и реализовал запись голограмм в трёхмерной среде, что позволило наряду с амплитудой и фазой записать и восстановить спектральный состав излучения, а в 1962-64 годах американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс разработали схему записи с наклонным опорным пучком и использовали лазер в качестве источника света. В дальнейшем было показано, что голограммы отображают практически все характеристики волновых полей - амплитуду, фазу, спектральный состав, поляризацию, изменение волновых полей во времени, а также свойства сред, с которыми эти поля взаимодействуют.

Используя методы голографии, можно записывать и воспроизводить волновые поля различной физической природы: электромагнитные (радиоголография), акустические (голография акустическая), электронные и др. Поскольку волновые поля, проходящие через материальные среды, отражают их строение, голографию можно рассматривать как способ полной записи и волновых полей, и информации об объектах.

При записи голограммы (рис. 1 а) волна W_O, отражённая или рассеянная объектом О, направляется на регистрирующую среду F (например, фотопластинку) одновременно с когерентной опорной волной W_S, испущенной источником S. Обычно опорная волна имеет простую форму (волновой фронт плоский или сферический). Возникающая в результате наложения этих волн интерференционная картина представляет собой систему поверхностей пучностей d₁, d₂, d₃, ..., на которых интенсивность волнового поля максимальна, перемежающихся узловыми поверхностями с минимальной интенсивностью (штрихи). Эта картина записывается в светочувствительной среде; после экспонирования и химической обработки в толще светочувствительного материала образуется фотографическое изображение, распределение плотности которого моделирует распределение интенсивности в интерференционной картине. Записанная в среде интерференционная структура и является голограммой.

При восстановлении объектной волны (рис. 1б) на голограмму Н направляется такая же волна W_S, какая использовалась при записи. В результате взаимодействия с голограммой падающая волна преобразуется в волну, точно совпадающую с объектной волной, записанной на голограмме. Наблюдатель, регистрирующий восстановленную голограммой волну W_O’, не может отличить её от истинной волны W_O и видит изображение объекта О’, неотличимое от оригинала. Восстановленное изображение объёмно, при смещении точки наблюдения можно увидеть предмет с разных сторон и даже то, что находится за ним.

Классификация голограмм. Структура голограмм зависит от взаимного расположения объекта, опорного излучения и регистрирующей среды, от толщины h регистрирующей среды, от длины волны λ излучения при записи и восстановлении голограммы. Она характеризуется пространственным периодом интерференционной картины Λ = λ/(sinθ₁ + sinθ₂), где θ₁ и θ₂ - углы падения интерферирующих волн на регистрирующую среду. В зависимости от соотношения периода Λ и толщины регистрирующей среды (фотоматериала) различают двумерные (плоские) и трёхмерные (объёмные) голограммы. Если h<< Λ, образуется двумерная голограмма. Её отображающие свойства ограничены. Так, она кроме истинной объектной волны W_O, восстанавливает также сопряжённую ей волну W_Q’’ и соответствующее дополнительное ложное сопряжённое изображение О" (рис. 1б). Для восстановления качественного двумерного изображения необходим источник монохроматического излучения. Трёхмерная голограмма, которая образуется, если толщина фотоматериала h>>Λ, однозначно восстанавливает волновое поле объекта, без сопряжённого изображения. Трёхмерная голограмма способна также восстанавливать изображение при освещении её немонохроматическим излучением; она сама, подобно селективному интерференционному фильтру, выбирает из сплошного спектра те составляющие, которые участвовали в её записи. Если при записи изображения используется излучение, содержащее несколько длин волн, то голограммы создают цветные изображения. Отсутствие сопряжённой волны позволяет преобразовывать в объектную волну всё падающее на голограмму излучение.

В зависимости от взаимного расположения объекта, опорного излучения и регистрирующей среды различают несколько схем записи и соответствующих им типов голограмм. Запись в попутных пучках пропускающих голограмм производят при расположении источника опорного излучения и объекта на одной оси (осевая схема Габора, рисунок 2а) или под углом к нему (внеосевая схема Лейта, рисунок 2б). При записи в попутных пучках объект и источник опорного излучения располагаются по одну сторону от регистрирующей среды F. При записи по схеме Габора требования к разрешающей способности фотоматериала наименьшие, однако, поле, восстановленное такой голограммой, сильно искажено из-за наложения сопряжённой волны. Этот недостаток устранён в схеме Лейта, но восстановление таких голограмм требует монохроматического источника излучения. Во встречных пучках производят запись отражательных голограмм (схема Денисюка, рисунок 2в). В этом случае объект и источник опорного излучения находятся по разные стороны от регистрирующей среды. Период Λ в этом случае минимален, а требования к разрешающей способности фотоматериала наиболее высоки, зато для восстановления изображения такую голограмму можно освещать источниками естественного света (например, солнечным излучением) или лампой накаливания.

Источники излучения и регистрирующие среды. Основным требованием к источникам излучения для записи голограмм является сочетание высокой пространственной и временной когерентности с достаточно большой выходной мощностью, а к регистрирующим средам - высокая разрешающая способность (от 700 до 7000 линий/мм) с приемлемым уровнем чувствительности. В оптическом диапазоне спектра наиболее подходящими источниками являются одномодовые одночастотные лазеры. Для записи голограмм неподвижных объектов и стационарных процессов обычно используют непрерывные гелий-неоновые (λ = 632,8 нм) и аргоновые (λ = 515,4 или 488 нм) лазеры, а для голографирования быстропротекающих процессов и подвижных объектов - импульсные рубиновые лазеры (λ = 694,3 нм) и неодимовые лазеры с преобразованием частоты во вторую гармонику (λ = 530 или 532 нм).

Оптические голограммы обычно записывают в средах, в которых в момент записи образуется сравнительно слабое (так называемое скрытое) изображение, затем его значительно усиливают (проявляют) специальной обработкой фотоматериала. Такие голограммы называют статическими. Наиболее высокочувствительными являются галогенидосеребряные среды, которые при разрешении (5-7)·10³ линий/мм имеют чувствительность 10^-3·10^-4 Дж/см. Для оперативной записи голограмм, например при заводском контроле изделий методами голографической интерферометрии, широко используют фототермопластики. Для получения голографических оптических элементов применяют среды, способные создавать поверхностный рельеф, - фоторезисты и халькогенидные плёнки, а также слои на основе фотополимеров и бихромированной желатины, в которых могут быть сформированы объёмные интерференционные структуры. Используют также светочувствительные материалы, допускающие многократную запись: фотохромные стёкла и плёнки, магнитооптические плёнки, электрооптические и полупроводниковые кристаллы, плёнки на основе жидких кристаллов и др.

Существуют нелинейные среды (некоторые красители, кристаллы, пары металлов), обладающие способностью значительно изменять свои оптические характеристики непосредственно под действием падающего на них излучения. Взаимодействие света с такими средами менее критично к когерентности излучения и составляет предмет изучения динамической голографии, которая даёт возможность управлять всеми параметрами волновых полей, включая частоту излучения и пространственно-временную структуру, а также производить оперативную оптического обработку данных.

Свойства голограмм. Основное свойство голограмм - предельно точное восстановление изображения объекта при освещении опорной волной. Кроме этого, голограммы обладают рядом важных и уникальных свойств.

1. Голограммы могут формировать обращённую волну W^*_О, которая совпадает по форме с объектной волной, но идёт в обратном направлении, т. е. к объекту, а не от него (рис. 1б). Такая волна возникает, если голограмма освещается волной W^*_S, обращённой по отношению к опорной волне W_S, то есть сходящейся к источнику опорного излучения S, а не расходящейся от него.

2. Восстановленное голограммой изображение способно изменять масштаб и расположение при изменении длины волны и положения источника восстанавливающего излучения, а также при изменении масштаба голограммы. Такими трансформационными свойствами обладают двумерные (плоские) голограммы.

3. Трёхмерные голограммы не допускают изменения геометрии при считывании, но они обладают высокой угловой и спектральной селективностью.

4. Если в каждой точке голограммы записывается информация обо всех точках объекта, то любой её участок способен восстановить исходную объектную волну (свойство делимости).

5. Голограмма способна воспроизводить чрезвычайно широкий диапазон градаций яркости объекта (до 10⁶), что также обусловлено распределённым характером записи информации на ней.

6. Трёхмерные голограммы могут ассоциативно восстанавливать изображение объекта по его фрагменту.

7. Яркость восстановленного изображения определяется дифракционной эффективностью, равной отношению светового потока в восстановленной волне к световому потоку, падающему на голограмму. Дифракционная эффективность может достигать 100%; она определяется типом голограммы, условиями её записи. Восстановленное голограммой изображение малочувствительно к характеру изменения свойств регистрирующей среды.

Применение голографии. Голография используется в различных областях человеческой деятельности: в машиностроении, научных исследованиях, медицине и др. Методы голографической интерферометрии позволяют измерять очень малые деформации деталей машин; в оптическом приборостроении широко применяют голографические оптические элементы - голографические дифракционные решётки, спектральные фильтры, фокусирующие экраны, отличающиеся низким уровнем аберраций.

Трёхмерность и высокое качество голографических изображений используются для создания изобразительных голограмм - копий предметов искусства, голографических портретов. Голограммы применяют для исследования движущихся частиц, капель дождя и тумана, явлений кавитации, треков ядерных частиц в пузырьковых и искровых камерах. Способность голограмм восстанавливать опорную волну источника при освещении её излучением объектной волны составляет основу голографического распознавания образов и их идентификации, что позволяет обнаруживать объекты на местности и фотоснимках, а также использовать в пропускных системах. С помощью методов радиоголографии регистрируют изображение местности сквозь туман и облака. Методами электронной, рентгеновской и нейтронной голографии изучают структуры атомных решёток и отдельных атомов. Голографическое обращение волновых полей лежит в основе безаберрационной передачи информации и получения изображений через оптически неоднородные среды, а также создания мощных лазеров с предельно высокой яркостью излучения. Методы голографии эффективны при изучении фотофизического, фотохимического и нелинейных оптических свойств веществ.

Успешное коммерческое применение голографии (защита документов, товаров, денежных знаков) основано на использовании так называемых радужных голограмм, изобретённых С. А. Бентоном (США). К перспективным областям применения голографии относятся оптические информационные технологии, поскольку с помощью голограмм можно записывать, хранить и с высокой скоростью обрабатывать большие массивы информации (смотри Голографические запоминающие устройства). Аналогия свойств голограмм и работы мозга, связанная с распределённым характером хранения информации и ассоциативностью её обработки, служит основой для построения голографических моделей искусственного интеллекта. Ведутся разработки, связанные с созданием голограмм в других диапазонах электромагнитных и корпускулярных волн, а также с цифровой (компьютерной) голографией, позволяющей создавать голограммы без помощи физических волновых полей и изучать голографическую трансформацию полей без участия регистрирующих сред.

Лит.: Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М., 1973; Островский Ю. И. Голография и ее применение. Л., 1973; Денисюк Ю. Н. Принципы голографии. Л., 1978; Бахрах Л. Д., Курочкин А. П. Голография в микроволновой технике. М., 1979; Оптическая голография: В 2 т. / Под редакцией Г. Колфилда. М., 1982.